L’avènement des peignes de fréquences, au début des années 2000, a révolutionné la métrologie des fréquences optiques (i.e. quelques centaines de térahertz), et a stimulé le développement d’une nouvelle génération d’horloges atomiques, référencées sur des transitions optiques. Ces peignes, réalisés avec des lasers à impulsions femtosecondes, sont aujourd’hui le moyen le plus efficace et fiable pour réaliser des comparaisons de fréquences entre une horloge du domaine optique et des étalons primaires du domaine micro-onde, ainsi qu’entre deux horloges optiques fonctionnant à des fréquences différentes. Nous présentons dans cet article divers travaux ayant été effectués au LNE-SYRTE pour caractériser ces dispositifs et les amener à un niveau de performance tel qu’ils ne limitent pas les mesures effectuées à partir des horloges du laboratoire.

Les horloges atomiques basées sur l’effet de piégeage cohérent de population permettent d’obtenir de meilleures performances que les horloges micro-ondes conventionnelles à cellule de vapeur ou de les miniaturiser grâce à une interrogation purement optique. Nous présentons dans cet article un prototype d’horloge à piégeage cohérent de population dans une cellule de vapeur de césium développé au LNE SYRTE. Il réunit deux techniques originales : un schéma d’excitation avec deux polarisations linéaires et orthogonales et une interrogation de type Ramsey. La combinaison de ces deux techniques permet d’observer des résonances étroites avec un bon rapport signal à bruit. Les principaux effets pouvant affecter la stabilité de fréquence sont étudiés : l’effet du gaz tampon, celui du champ magnétique et de la puissance du laser, et enfin l’influence du bruit de l’oscillateur local ou effet Dick. La stabilité relative de fréquence obtenue est égale à 7×10^-13 à 1 s et descend jusqu’à 2×10^-14 à 2 000 s.

Nous décrivons le développement d’une horloge à réseau optique à atomes de mercure depuis le stade initial jusqu’aux mesures absolues qui ont permis l’inclusion de la transition horloge de ¹⁹⁹Hg dans la liste des valeurs recommandées des fréquences étalons du CIPM.

We perform Ramsey spectroscopy on the ground state of untracold ⁸⁷Rb atoms magnetically trapped on a chip in the Knudsen regime. Field inhomogeneities over the sample should reduce the contrast of the Ramsey frindges by a factor of 5 for 5 s of interrogation. We measure hardly any decay, only a factor 1.08 corresponding to a coherence time of the order of one minute. This new effect allows us to increase the quality factor of the microwave atomic resonance. We explain this surprising result by a spin self-rephasing mechanism induced by the identical spin rotation effect. The study of decoherence under metrological condition is the key to this synchronisation regime where non-linear effects dominate the evolution of the cloud. We propose a theory of this synchronization mechanism and obtain good agreement with the experimental observations. The effect is general and may appear in other physical systems with trapped atoms. In particular, this effect will exist for fermions and could be exploited to enhance the stability of optical lattice clocks.

Le projet « balance du watt » propose de relier la définition du kilogramme à la constante de Planck. La pesée de la masse impliquée nécessite une détermination de l’accélération de la pesanteur g avec une exactitude meilleure que 10^-8. Les travaux résumés dans cet article visent à réaliser cette détermination à l’aide d’un gravimètre atomique et d’un site gravimétrique dédié.

Le CNES, le LKB et le SYRTE développent une horloge à atomes froids de très hautes performances, appelé PHARAO, dont la conception est optimisée pour des applications spatiales. Le signal d’horloge est référencé sur la mesure de la fréquence de la transition hyperfine du césium qui réalise la seconde. Cette transition est induite sur un nuage d’atomes froids (1 µK) de césium en mouvement dans une cavité de Ramsey. Le choix de la vitesse moyenne du nuage, ajustable sur 2 ordres de grandeurs (5 cm·s^-1–5 m·s^-1), permet grâce à l’apesanteur d’explorer une large gamme de temps d’interaction et d’analyser les performances ultimes de l’horloge. Un modèle d’ingénierie de l’horloge a été construit pour valider cette nouvelle architecture et a été testé au sol pour rechercher le moindre défaut de fonctionnement. Bien évidemment, au sol, les performances sont réduites puisque le mouvement des atomes froids est soumis à l’accélération de la pesanteur. Nous mesurons cependant une stabilité relative de fréquence de 3,3×10^-13t^-1/2. Les effets systématiques les plus importants sont analysés et le bilan d’incertitude global s’élève à 1,63 × 10^-15. Des comparaisons de fréquence avec l’étalon primaire de fréquence du SYRTE, la fontaine mobile FOM, ont donné des écarts de fréquence inférieurs à 2 × 10^-15. La qualification spatiale qui concerne essentiellement les aspects mécaniques et thermiques a été étudiée sur un modèle (Modèle Structurel et Thermique) représentatif mais non opérationnel de l’horloge. Cette qualification se fait en association avec des simulations numériques par éléments finis. De l’ensemble de tous ces résultats des évolutions ont été appliquées sur l’architecture pour construire le modèle de vol qui est maintenant en cours de réalisation. L’horloge PHARAO est un instrument clé de la mission spatiale Européenne ACES dont l’objectif central concerne la mesure de l’espace-temps pour tester les aspects fondamentaux de la physique.

L’utilisation de la fibre optique pour la comparaison et la distribution de références ultrastables de fréquence s’est fortement développée ces dix dernières années. Le LNE-SYRTE et le LPL sont des laboratoires pionniers dans l’étude et le développement de ces techniques. La stabilité de fréquence et l’exactitude des liens optiques fibrés surpassent désormais les performances des méthodes classiques qui exploitent les satellites GPS ou géostationnaires. Dans cet article nous présentons une revue des méthodes et des résultats obtenus. Nous montrons également qu’il est possible d’utiliser les réseaux fibrés de l’internet pour réaliser la comparaison et la distribution des signaux métrologiques ultrastables sur de longues distances. La stabilité et l’exactitude de tels liens sur réseaux fibrés de l’internet sont aujourd’hui proches des limites que l’on peut attendre sur une fibre optique dédiée à cette application. Cette nouvelle technique ouvre la voie au déploiement au niveau national et international d’un réseau optique métrologique ultrastable.

Le kilogramme est la dernière unité du Système international d'unités (SI) encore définie par un artefact : le prototype international du kilogramme (International Prototype of the Kilogram ou IPK). En 100 ans, des comparaisons entre l'IPK, ses copies officielles et les prototypes nationaux ont montré une variation relative de masse de l'ordre de 5×10^-8. Après un bref rappel sur l'unité de masse, cet article expose la nécessité de redéfinir le kilogramme. Il explique le choix de la constante de Planck h comme base d'une définition telle qu'envisagée par la CGPM en 2018. L'article présente les derniers résultats obtenus avec les balances du watt qui permettent aujourd'hui d'établir un lien entre h et une masse macroscopique avec des incertitudes relatives de quelques 10^-8. Enfin, l'article présente la position adoptée en France par le laboratoire national de métrologie pour la " mise en pratique " du kilogramme et sa dissémination après sa redéfinition en 2018.

Dans les horloges à réseau optique, des atomes froids confinés dans un piège dipolaire en forme de réseau sont interrogés par un laser ultrastable. Elles sont devenues les meilleurs étalons de fréquence car elles allient à la fois une résonance étroite dans le domaine optique, et donc grand facteur de qualité, et un grand nombre d’atomes interrogés simultanément. Dans cet article, nous présentons les derniers développements de ces horloges en termes de stabilité de fréquence et d’exactitude, en décrivant les résultats obtenus avec deux horloges à réseau optique au strontium développées au LNE-SYRTE.

Nous présentons la nouvelle expérience de gyromètre à atomes froids du SYRTE mise en oeuvre depuis 2009. Cette expérience utilise une configuration en fontaine atomique et un interféromètre atomique à quatre impulsions lumineuses pouvant permettre d’atteindre une aire Sagnac d’au moins 11 cm². Nous avons démontré une stabilité de 3 nrad·s⁻¹ après 1 000 s de temps d’intégration, ce qui représente l’état de l’art pour un gyromètre à atomes froids. Nous décrivons ici les éléments essentiels de l’expérience et les principales perspectives d’amélioration prévues à court et moyen terme.